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中国芯片往事:扎根骊山靠手工打磨清华系成资

更新时间:2019-10-05

  经历了数个“芯”年,通过上游的芯片制造,和下游应用市场的叠加,中国的半导体全产业链布局正在逐渐崛起。根据西南证券的研报,国内的芯片制造企业目前已拥有一定的代工优势。

  67年前,集成电路(Integrated Circuit)的概念初次在美国被提出:将晶体管、电阻、电容、电感等元器件集成在面积微小的平板上,便构成了集成电路。而芯片则是半导体元件产品的统称,也是集成电路的载体。

  在概念提出七年后,美国德州仪器公司的研究员基尔比将锗晶体管芯片等元件焊在玻璃板上,并成功输出了正弦波曲线,世界第一块集成电路由此诞生。

  在集成电路概念进入中国前,国内研究人员一般将集成电路称之为“固体电路”,由于资源有限,起初设计的固体电路只能从电子计算机布尔代数中最基本的电路做起。即便如此,第一代科研人员仍然开辟出一条自主研发的通路。

  1957年,北京电子管厂半导体实验室成功研发出锗晶体管;在接下来的一年内,中国科学院微电子所又生产了中国第一批锗合金高频晶体管,这批晶体管后应用于“109乙机”上,也就是我国第一台自行研制的晶体管大型通用数字电子计算机。

  当时间走到1959年,随着一位学者学成归国,集成电路的概念也随之正式进入中国。

  那年春天,北京大学物理系迎来了这位名叫黄敞的归国博士。出身于知识分子家庭的黄敞于40年代在清华大学获得工学学士学位,后又前往哈佛大学读博深造。毕业后,黄敞在美国雪儿凡尼亚半导体厂的先进工程部任职,研究晶体管制作工艺和抗辐射集成线项专利。

  彼时,中国“两弹”事业正在紧锣密鼓地筹备当中。受到钱学森等前辈归国的鼓舞,黄敞毅然选择以环球旅行的方式回乡,并在归国后在北京大学任教,迅速开始科研工作。此时,美国仙童半导体公司已成功开发出第一块硅集成电路。

  但中国的科技自主研发之路,从不甘居于人后。1961年初,国内提出“0515”微型电路研制项目;当年,项目组就已研制出了中国第一块锗集成电路,并于1962年开始硅集成电路的研究。

  由于硅材料研发和器件工艺均不成熟,项目组采取分工协作的方式,将核心技术分为5个课题,由物理所负责研发硅外延技术、光刻及蒸发技术,而计算所则需要攻克硅氧化及扩散技术。

  当年7月时,物理所已研制出国内第一块硅外延片,经过在成都西南无线电器材厂的多次试验,成功突破了硅集成电路的第一个门槛。三年后,该所又成功开发硅集成电路用的介质隔离新技术。

  黄敞博士曾撰文回忆这段经历,感慨于中国微电子技术的崛起,“对锗集成电路和硅集成电路的研发,为国内微电子事业打下了先行基础。”

  1960年,中国仿制的第一枚近程导弹发射成功。但由于射程较短,技术上的限制将制约于未来、氢弹的发射。为了提升载体火箭的推力和速度,国家开始计划研发安装于火箭上的弹上微型计算机。

  1965年,现中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所的前身,代号“156工程处”的中科院微电子研究所正式组建,有研发大规模集成电路经验的黄敞便受命加入研制团队。

  团队的研发成果令人兴奋:工程处成立仅一年,中国第一台自主设计、自主研究制造的集成电路空间计算器便于北京面世。

  无线通信芯片开发公司展讯通信的创始人、曾经“156工程处”的学生武平转述工程处科研人员的回忆:“在没有高精密器件的情况下,工程师们只能用锯子切下硅片;而这些精密的半导体元件,便是在这一片片手工打磨的硅片上制作而成。”

  四年后,“156工程处”迁至陕西临潼骊山脚下,继续在航天微电子领域展开紧锣密鼓的研究。骊山位于陕西省西安市临潼区,容纳千万兵马俑沉睡,也担当中国“三线建设”生产力战略转移的根据地。“156工程处”作为当时顶尖的研发机构,则拥有国内一流的技术设备。

  现担任华润半导体公司董事的萧硕曾是711所的研究生,他回忆说,受国际因素限制,当时无法使用最先进的4英寸生产线英寸生产线工程处”。

  在物资紧缺、材料设备进口受制的年代,生产线的匮乏却挡不住工程师们的探索。在骊山,黄敞博士及其带领的团队推进国内首次硅集成电路工艺研究,并研制了国内首台图形发生器和CMOS集成电路系列产品,由此开启存储器的研发热潮。

  而骊山还只是万千自主研发的缩影。1965年,河北半导体研究所成为国内第一家鉴定固体电路产品的单位,并开始负责为第三代电子计算机供应电路。1968年,由当时第四机械工业部筹建的东光电工厂开始生产晶体管逻辑型“与非门电路”,为中国第一台100万次大型电子计算机打下坚实基础。

  即使工程师在制造集成电路的过程中,能够将“复杂问题简单化”。但集成电路仍是一个综合材料、化工、装备、冶金等多学科的产业。如何成就全产业链的勃兴,对于上世纪的中国,仍是个不小的难题。

  上世纪60年代,国内的半导体加工生产甚至可以说处于“石器时代”:所用的光刻机、667cc图库开码天涯论坛情感天地读高中女儿早恋怎,扩散炉、外延炉等设备均需要学生手工绘图后,再转至机械加工车间生产。不仅缺失核心设备,完整生产线和精加工更是无从提及。

  对此,国内曾采取技术引进的方式救急。上世纪70年代,中国开始从欧美引进设备,并陆续建设40余家集成电路厂。但这仍解不了生产线不完备的“近火”。

  1973年,中国曾派集成电路考察团考察日本日立、三菱等企业的生产线。但由于政治和资金因素,再加上对技术引进和设备引进的意见不统一,最终未能完成对电气生产线的全线引进。

  四年后,从日本引进彩色显像管生产线再次被提上日程。对生产标准的争议让这次引进颇具代表性:市场化思路开始对传统集成电路生产模式产生冲击。

  在放弃了“照搬”日本原产品标准后,引进该生产线的江南无线电器材厂最终选择以用户标准为生产方向,而这在未来被证明是一个正确的决定:1985年时,该厂的年生产能力已达到2648万块,占据大部分市场。

  除了技术引进,国家也在持续加码集成电路产业发展。1986年,电子工业部提出“七五”(1986年-1990年)国家科技攻关计划的布局,除了开发3微米技术、攻关1微米技术等技术关卡外,国内微电子产业市场化的大幕也开始拉开。

  彼时,由电子工业部牵头的永川半导体研究所无锡分所成立。1987年,该所首加入市场化大军,成立无锡微电子联合公司。

  四年后,由该公司改制而成的华晶电子集团公司成立,并建设了首条6英寸生产线,后又从日本和德国引进了4英寸和5英寸芯片生产线”工程,则让华晶在技术上担负起新的挑战,目标1微米。

  但华晶的量产之路历经波折,由于技术水平仍落后,虽然销售收入以每年15%~20%的速度增长,但华晶的年度亏损净额超亿元。

  资本市场给了华晶集团第二次生机:1998年,华晶同上华半导体公司合作量产后才开始盈利,并成为中国第一家纯晶圆代工企业;直至2002年,同上华整合后的华晶上华半导体被华润集团收入囊中。

  比起“908”华晶曾经历的技术难关和量产难关,“909”工程更进一步,但依然让时任电子工业部部长的捏了一把汗。

  为了缩短建厂周期,尽快组建华虹NEC合资公司,“909”工程缩短了审批流程,这便意味着项目的40亿人民币即刻到位;但曾回忆道,“如果‘909工程’再翻车,电子工业部将无法向国务院和全国交待。”幸而,该工程的主要承担企业上海华虹未负众望,净利润在千禧年时达到了5.16亿元。

  对此,曾在日后总结称,以市场为导向是引进高科技项目必须注意的一点,“如果与市场不合拍,就会被淘汰出局。”因此,在“908”、“909”两次工程之后,执行市场化策略,并以需求为导向进行产品研发,对于国内芯片产业的“国家产业投资—助力企业市场化”路径有着重要作用。

  “909”工程推行19年后,世外桃园藏宝图历史中国芯片产业又迎来一重磅消息——国家集成电路产业投资基金的成立。这一“大基金”的总额为1259亿元,目前已投项目包括IC设计、制造、封测和设备等四大领域的龙头公司,如紫光集团、中芯国际、长电科技和中微半导体等。

  其中,出身于清华大学的紫光集团堪称玩转资本运作的“头号玩家”。2013年,紫光集团分别以18.7亿美元和9.07亿美元的价格收购展讯通信、锐迪科微电子,成为世界第三大手机芯片设计公司;后又控股多家芯片封装测试企业和存储芯片制造厂商,尝试走通全产业链的道路。

  经历了数个“芯”年,通过上游的芯片制造,和下游应用市场的叠加,中国的半导体全产业链布局正在逐渐崛起。根据西南证券的研报,国内的芯片制造企业目前已拥有一定的代工优势。

  当时空转回骊山脚下,曾跟随黄敞等中国第一代集成电路人的武平或许没有想到,自己未来将一直在芯片产业中“浮沉”:从“156工程处”的研究生,后出国深造,到创立展讯通信,再到现在立足于半导体投资。

  同成长于“156工程处”,在1982年来到骊山的陈南翔亦如是,在被分配到双极集成电路研究室后,他辗转美国、德国等地的研究所工作,后于2002年加入华润微电子,现担任常务副董事长。

  无论是华晶、华虹、展讯、华润,还是其他伴随中国“芯”路成长的企业;中国芯片产业始终起于点点星火一般的研发之心,终究燎原——在市场化和构建全产业链的道路上不断前行。